FR2979150A1 - Capteurs piezoelectriques pour des flutes marines geophysiques - Google Patents

Abstract

Un capteur numérique de l'invention comprend une paire de capteurs piézoélectriques (120) qui répondent à l'accélération et à la pression d'une manière opposée, une paire de circuits de transducteur numérique utilisant chacun un passage de rétroaction quantifiée afin d'obtenir des signaux de capteur numériques pour les capteurs piézoélectriques (120), et un circuit de combinaison qui combine les signaux de capteur numériques afin de produire un signal de sortie numérique compensé . Le signal de sortie numérique compensé peut être un signal d'accélération compensé en pression, un signal de pression compensé en accélération, ou les deux.

Description

10 in entre ès sous la surface ayant des es:inces acous différentes, une partie du signal a=stique est e par vers la su-rface de la terre. Des cap détectent uarties réflé du signal acousti et les sor des capteurs sont 15 enregistrées ous forme de données. Des techniques de traitement de données sismiques sont alors appliquées sur les données recueillies afin d'estimer la structure sous la surface. Ces recherches peuvent être réalisées sur terre ou dans l'eau. 20 Dans une recherche sismique marine typique, de multiples câbles de flute marine sont remorqués derrière un la s navire. Une flute marine typique comprend de multi. s sismiJ- rositionnés à des inte illgueur. Plusieurs flut s mari sensib7 par cc renfo par onsignais:.: de sortie ana j.iques des hydrophones du groupe et des capteurs de mouvement de particule de leur groupe 15 correspondant. Du bruit aléatoire et non corrélé affectant chaque capteur, d'autre part, tend à être annulé par le processus d'addition. Le gain de huit à seize par rapport à la sortie d'un capteur individuel procure une assez bonne réfection de bruit aléatoire. 20 L'invention concerne un capteur, comportant : une paire de capteurs piézoélectriques configurés pour répondre à l'accélération à la pression de ere des circuits de un circuit à action di à ré...détection et configuré pour produire le signal de capteur numérique dépendant de la 15 tension électrique produite entre la paire de surfaces. Avantageusement, le circuit de rétroaction est configuré pour générer une tension de rétroaction quantifiée dépendant du signal de capteur numérique, et 20 pour appliquer la tension de rétroaction quantifiée entre la paire de surfaces de l'élément de détection. Avan le circuit à action directe comporte un '- - et un quantificateur. 25 on. le décal comporte un de rétroaction de 30 le circuit: A-77r ou UI -ique 10 electripuL nd acceioj et. 7..a pression d'une oppo ; et ! au moins un d'un signal Ur:UT d'accélération en pression et d'un signal que de pression ccci:cnsé en accélération sur la base des réponses des 15 membranes piézoélectriques à l'accélération et à la pression, la production comprenant le fait d'appliquer un signal de rétroaction quantifiée sur au moins une des membranes piézoélectriques. 20 Avantageusement, le signal de rétroaction quantifiée est appliqué sur les deux membranes piézoélectriques. positi l'intérieuL di gnaux de les deux ur 30 10 Avantageusement,l'invention concerne un capteur une paire -tant : piézoélectrics configurés pour répondre à l'accéléation et à la pression d'une manière opposée, la paire de capteurs étant couplée afin de 15 procurer au moins une d'une compensation de pression et d'accélération ; au moins un circuit de transducteur numérique utilisant un passage de rétroaction quantifiée vers la paire de capteurs piézoélectriques afin d'obtenir au moins un d'un signal 20 numérique d'accélération compensé en pression et d'un signal numérique de pression compensé en accélération. af-Li formai,,ns sous la Avan quanti.'"i L' r le passage de rétroaction une tension de rétroaction quantifiée ur de la paire de capteurs 30 décri allée est en dans lesquel : La figure ' est une vue en élévation de côté d'une forme de réalisation d'illustration d'un système de 15 recherche géophysique marine réalisant une recherche sismique ; La figure 2 est une vue en plan de dessus du système de recherche géophysique marine de la figure 1 ; La figure 3 est une représentation schématique 20 d'une section de flute marine d'illustration ; La figure 4 est un diagramme d'une première unité capteur d'illustration ayant un unique capteur igue ; La -1'7 pies -.:1pLours re tes la les deuri unité un diagr-,Tme d' partie de la configuré en pression ; et 15 La figure 14 est un organigramme d'un procédé de recherche géophysique d'illustration. Il est évident que les dessins et la description détaillée ne limitent pas la divulgation, mais au contraire, ils procurent la base pour comprendre toutes les 20 modifications, équivalents, et variantes qui tombent dans la portée de l'invention. Au moins une part les flutes re et non- du bruit affectant crue de la 'gnal d'accélération sa'-ion du teur 12 sé sée en et%oU Un ession en ac-> Les principes et le fonctionnement des formes de 15 réalisation décrites sont mieux compris dans un contexte d'utilisation approprié. Par conséquent, la figure 1 montre une vue en élévation de côté d'un système de recherche géophysique marine d'illustration 10 réalisant une recherche sismique marine. Un navire ou un bateau de 20 recherche 12 se déplace le long de la surface d'une étendue d'eau 14, telle qu'un lac ou un océan, en transportant un système d'acquisition de données 16 qui comprend un système d'enregistrement de données 15 à bord du bateau Le système d' :quisiLion 16 comprend sc=ce 20 e ï= capteurs une sort numér. une _on 2 et la de capteur. Les flutes marines 24 sont remorquées par l'intermédiaire d'un ensemble de remorquage 28 qui produit un agencement souhaité des flutes marines 2. L'ensemble de remorquage 28 comprend de multiples câbles interconnectés et une paire de plongeurs de ligne 30A et 30B reliés aux côtés opposés de l'ensemble de remorquage 28. Lorsque le 20 bateau 12 remorque l'ensemble de remorquage 28 dans l'eau 14, les plongeurs de ligne 30A et 30B tirent les côtés de l'ensemble de remorquage 28 dans des directions opposées, transversales ion de dépl t du bateau 12. de _mpleme::t une con 24. multiples sections de Chacune des flutes marines 24 comprend de :lutes nd de à bout. les unités dans les sections de flute marine 26 des flutes marines 24, 15 détectent ces réflexions sismiques et produisent des signaux de sortie indicatifs des réflexions sismiques. Les signaux de sortie produits par les unités de capteur sont enregistrés par le système d'enregistrement de données 18 à bord du bateau 12. Les signaux enregistrés sont traités et 20 interprétés ultérieurement afin de déduire la structure, la teneur en fluide, et/ou la composition des formations rocheuses en dessous de la surface 36. Les sections de flute narine 26 de: flutes : -nec peuvent être identicu et int s C est Tc; y a un des la sect de quelle Dans la sismique L;st représentée rée « 40 ». 10 unL; provenant d'une C: les unités terface 38 et cela est décrit us en détail ci-dessous, capteur de la rangée de capteurs 22, logées un IO réalisation,S2 la plage titre et ou dans la plage plus ejnte entre 18 cm et 36 cm. Chacune des extré.i 52A et 52B a un ou plusieurs connecteurs pour l'ali. ion électrique et es signaux de données. Dans au moins certaines formes de réalisation de flute marine, les unités de capteur 50 sont séparées en groupes de N unités de capteur, où N est de préférence entre environ 4 regroupées, les 20 sont reliées à et approximativement 64. Lorsqu'elles sont unités de capteur 50 dans chaque groupe une unité de commande de groupe commune. commande de groupe peut recevoir des numériques provenant des unités de unique flux de provenant du fuit en Chaque signaux capteur unité de de donc 50 corn sort produire -te les do: ie peut ques pour produits ares par _ses uni de c sections de Flote reliée l'ext Dans la de la f 3, l'extrémité 52A de la Bute marine 26 est la plus proche du système d'enregistrement de données 18 à bord du bateau 12, et les flux de données de sortie produits par les unités de capteur 50 dans la section de flute marine 26 sont transportés hors de la section de flute marine 26 par l'intermédiaire de conducteurs électriques et/ou de câbles à fibre optique du bus de données 60 se terminant au niveau 20 d'un ou plusieurs connecteurs à l'extrémité 52A. Des conducteurs électriques et/ou des câbles à fibre optique supplémentaires du bus de données 60 s'étendent entre les un ou plusieurs connc à l' extrémité 52B et les un ou plusieurs l'extrémité fin de transporter es uni:és 30 10 du des ns des conducteur.: 'ligues ant e électrique aux capteurs. Le r. oids :ne es un problème du fait que chaque le doic être conçue de telle sorte qu'elle est d' flottabilité neutre lorsqu'elle est IS immergée dans l'eau. Dans certaines formes de réalisation de flute marine, le bus de distribution d'énergie 56 peut être remplacé ou complété par un système d'alimentation par batterie et/ou un système de collecte d'énergie. La section 20 de flute marine 26 peut ainsi comprendre une ou plusieurs batteries qui procurent une partie ou la totalité des besoins en puissance des unités de capteur 50. La section de section de la section en variante, ou en plus, comprendre ifs de collecte d'énergie qui de flute marine 26 un -usieurs t de une 30 ée vers détection, les capteurs iqu gue - ent avo une taille, un poids, d s ins puissance sensiblement réduits camp aux capteurs conventionnels. Au moins certaines form de réalisation de capteur 15 numérique peuvent avantageusement comprendre des composants micro-usinés avec des structures mécaniques mobiles miniatures. Le micro-usinage crée des structures complexes et tracées avec précision sur des substrats relativement épais par des technologies de traitement dans la masse ou 20 de surface. Le micro-usinage dans la masse sculpte des pièces mobiles en enlevant de la matière des substrats. Le micro-usinage de surface implique le fait de déposer et de ensuite d s films 1.:..nces sur les substrats, cation de circuit re une forme de lisa on de capteur la section de flute marine 26 de la figure 3. Dans la forme de 15 réalisation de la figure 4, l'unité de capteur 50 comprend une unité de télémétrie de capteur 70 reliée à un capteur numérique 72. Comme cela est décrit ci-dessous en se référant à la figure 6, le capteur numérique 72 comprend une boucle de rétroaction quantifiée et utilise la boucle 20 de rétroaction quantifiée pour produire un signal de sortie numérique indicatif de l'énergie d'onde sismique. Un élément de détection du capteur nun-.:=rique essaye de se déplacer c.: de déforr.: en répc, une stimulation d' ration). Quan' ne stimulai iée La f igure 4 d'illustration de l'unité 30 4, de Lbution bus 60 de la 3, et délivre de l'é rgie élec du bus de di. cation d' __..-..-gie 56 au tr numérique 72. L'unité de de capteur 70 reçoit des signaux de commande provenant du système d'enregistrement de données 18 (voir les figures 1 et 2) par l'intermédiaire du bus de données 60, et délivre des signaux de commande au capteur numérique 72. L'unité de télémétrie de capteur 70 reçoit également le signal de sortie numérique produit par le capteur numérique 72, et délivre un flux de données de sortie qui comprend une représentation du signal de sortie de capteur numérique au système d'enregistrement de données 18 par l'intermédiaire du bus de données 60. La figure 5 une capteur d'illustration 50 ayant multiples forr ion de de 5Co r 70 10 a que A et l'hyd- 72E une stimulation acc -ation ou sion). figure 6 un EC d'un capteur piézoélectrique numérique illustratif 80. Le capteur 15 piézoélectrique numérique 80 utilise une boucle de rétroaction quantifiée 92 afin de produire un signal de sortie numérique. Le capteur piézoélectrique illustré 80 comprend un élément de détection 82 relié à un circuit de transducteur numérique 88. Le circuit de transducteur 20 numérique 88 comprend un circuit à action directe 90, une boucle de rétroaction quantifiée 92, et une unité de sortie 104. Une unité de conditionnement de signal 94, une unité d'intégrateur 96, et une unité de antificate- 98 forment tie à action -le 90. unité de diff *rsiel se CiCt. la on 30 Si l'on se réfère è la figure 7, le corps 112 de chacun des éléments de détection piézoélectriques 86 15 comprend une matière piézoélectrique. Des matières piézoélectriques appropriées comprennent de la céramique piézoélectrique telle que du titanate de baryum, du zirconate de plomb, et/ou du titanate de plomb, et des cristaux piézoélectriques tels que du phosphate de gallium, 20 du quartz, t de la tourmaline. Dans la forme de réalisation de la figure 7, le corps 112 est un disque circulaire plat ayant une épaisseur sensiblement uniforme. Le corps 112 peu: ple être découpé dans une pièce n.firique Dup plus grande de matière De , entre les surf est principas opp ees 11.0, les 7.3 se défcr: en -3 de détection piézoélectric 30 des c nductL ces 11 l ennent 'or, le nickel, platine, et/ou le rhodium. forme de n de la figure 7, bordure ive 116 est lais entre la périphérie ùe chacune des électrodes conductrice 114 et une périphérie du corps 15 112 afin d'empêcher un court-circuit des électrodes conductrices 114 (par exemple par un arc). Si l'on se réfère à la figure 6, la feuille conductrice flexible 84 est normalement sensiblement plane, et peut être construite avec n'importe quelle matière 20 électriquement conductrice appropriée telle que, par exemple, du laiton, du béryllium, du cuivre, du bronze phosphoreux, ou un autre métal d'alliage de cuivre. La feuille conductrice flexible 84 a une épaiT dcnne une suff-ante pour 'ues tout e dn 30 Ul de dét et/ou la 10 par exe- grâce àire adJ- conductri e telle ere ép::-:y é e conductrice. La feuille conductrice flexible 84 repose dans 15 une position de déformation d'entrée zéro ou « nulle » de l'élément de détection 82. Quand une force mécanique externe agit sur la feuille conductrice flexible 84 comme cela est indiqué dans la figure 6, la feuille conductrice flexible 84 fléchit, en déformant les éléments de détection 20 piézoélectriques 86 et en amenant les éléments de détection piézoélectriques 86 à générer un signal de tension différentielle entre les électrodes conductrices 114 (voir la figure 7) sur le surfaces principales 110 noncouplées la feuille .trice ±lexible 84. le de 82 le de tension différentielle d'e if d'une position d'un état de défc.1 de 1 de totion 82. Le de sortie pro t par l'unité d' :égrateur 96 est indicatif d'une somme cumulative de la position ou de l'état de 15 déformation de l'élément de détection 82 avec le temps. L'unité de quantificateur 98 reçoit le signal produit par l'unité d'intégrateur 96 comme signal d'entrée, et un signal d'horloge (provenant par exemple de l'unité de télémétrie de capteur 70 des figures 4 et 5) comme entrée 20 de commande. L'unité de quantificateur 98 trace le signal d'entrée vers un des multiples états de sortie numérique. Quand le signal d'horloge est actif (ou validé), l'unité de quantificateur 98 :;énère un signal sortie numérique :;.ndant à quan -àteur rte rue actif st effet significatif sur le fonctionnement du circuit.) Le 15 signal d'horloge commande le verrou de telle sorte que, quand le signal d'horloge est actif (ou validé), la sortie du comparateur se propage à travers le verrou. Le verrou stocke la sortie du comparateur et envoie la sortie stockée sur une borne de sortie. Quand le signal d'horloge n'est 20 pas actif (ou est invalidé), le verrou continue à envoyer la sortie stockée sur la borne de sortie. L'unité de quantificateur 98 a une unique borne un de sortie adu r par plue petit que la ter r val de logique sort et basse évent être fa I() qui produit la n correspondaet au niveau de sort 1- 'queigue '1', ou la tension co au niveau rloge. vue -.lue '0', sur la bora-: d 3e d- 10 quant 32. 'unité de nde d ritiel 102 reçoit le ou plusieurs signaux de sortie igue produits par l'unité de quantificateur a8 en tant que signal ou signaux d'entrée numériques, et produit un signal de tension différentielle ui dépend du ou des signaux d'entrée reçus. L'unité de rcuit de commande différentiel 102 délivre le signal de tension différentielle aux électrodes conductrices 114 (voir la figure 7) sur les surfaces principales 110 (voir la figure 7) des éléments de détection piézoélectriques 86 qui ne sont couplées à la 20 feuille conductrice flexible 84. Le signal de tension différentielle s'oppose au signal de tension différentielle généré entre les électrodes conductrices 114 en réponse à la for:: 'erne. Il en résulte qu'une force de « térieu 1- on afin par ula: 30 osciller de màn,tour la position ou de force la ciu de détection à 10 les l'état de der E=u circuit de commande ou nulle. de réalisation, l'unité de entiel 102 met en oeuvre un 30 15 circuit couramment appelé dispositif de décalage de niveau de tension. La borne de sortie de l'unité de circuit de commande différentiel 102 est reliée à un niveau de tension plus élevé (par exemple une tension « +1 »), ou à un niveau de tension plus faible (par exemple une tension « -1 »), en fonction du niveau de tension (ou du niveau logique numérique) du signal de sortie numérique de l'unité de quantificateur 98. L'unité de sortie 104 reçoit le signal de oduit par et un :eur 98 plus o du 10.final d'hori (prev par de l'unité ? t'1 ....etrie de capteur 70 des __gures 4 5) sur une 'horloge, et le signal de sortie unique produit par l'unité de quantificateur 98 une entrée d'activation. Quand la 15 sortie de l'unité de quantificateur 98 est la tension correspondant au niveau logique numérique '1', le compteur est activé et incrémente quand le signal d'horloge est actif (ou validé). Quand la sortie de l'unité de quantificateur 98 est la tension correspondant au niveau 20 logique numérique '0', le compteur est invalidé et n'incrémente pas quand le signal d'horloge est actif (ou validé). c=ut-._ur peut égalementrecevoir un signal de (provenant par e de l'un té de 70 au :-:±7: :dé), le VE: une version evre, du signal d' à l'uni é de icateur 98. Le signal verrou, puis le st- al e réinitialisation, re tous les 2'n cycles du signal d'horio - Il en résultt.. c l'unité de sortie 104 met à jour le signal de sortie numérique de 15 mot de n-bit du capteur piézoélectrique 80 délivré tous les 2'n cycles du signal d'horloge. L'unité de sortie 104 peut également mettre en oeuvre n'importe lequel de plusieurs filtres de décimation complexes connus dans le domaine. Par exemple, différents 20 types de filtres « sinc » sont connus dans le domaine avec des graphiques de réponse qui s'approchent d'une forme rectangulaire idéale dans le domaine de te.: et une forme de fonction sinc dans le domaine de fréquen e. figure 8 est ne vue en élévation de côté d'un que une pa: de 6, « 8 120 p tien p ézcélect d'une feuille con( cab:_eur piézoélectrique 80B de la nd une paire 863 m::n flx a une gure le d'él des c'.-és 34A, le re d'éléments de détection piézoélectriques 86C et 86D montés sur des côtés opposés d'une feuille conductrice flexible 84B. Le capteur piézoélectrique 80A est positionné dans un renfoncement extérieur 124A sur un côté du boîtier 122, et le capteur piézoélectrique 80B est positionné dans un renfoncement extérieur 124B sur un côté opposé du boîtier 20 122. Quand les feuilles conductrices flexibles 84A et 84B sont positionnées dans le boîtier 122 comme cela est représenté dans la figure 8, une cavité 126 existe dans le boîtier 1 :e les feuilles conductrices flexibles 84A t 30 con fi ter les signées sort e à mot de rs E0A et 80B, le signal de sorti que (n,l) bit est dépendant de l'accélération du numérique 120, et est sensiblement indépendant Iî d'une pression agissant sur les capteurs piézoélectriques 80A et 80B (c'est-à-dire un signal d'accélération compensé en pression). Si l'unité de combinaison de signal 130 est configurée pour soustraire les versions signées des signaux de sortie numérique à mot de n-bit des capteurs 20 piézoélectriques 80A et 80B, le signal de sortie numérique compensé de (n+1) bit est dépendant de la pression agissant sur les capteurs piézoélectriques 80A et 80B, et est sent indépendant de l' accélération du cap un signal d pn coma:: la 29 à 2 72A de réal_ é de capteur 50 de la figure 5, l'hyd que sraparé 72B n'est pas exigé fait que l'un nque (ou tous les) trois s du capteur numérique 120 peuvent être configurés pour détecter également une pression environnante. La figure 12 est un diagramme d'une partie d'une variante de forme de réalisation du capteur numérique 120 des figures 6 à 9. Plutôt que d'avoir un circuit de transducteur numérique séparé pour chaque élément de 20 détection 82A et 82B, avec les sorties numériques qui sont ajoutées ou soustraites, la forme de réalisation de la figure 12 utilise un unique circuit de transducteur numérique -:ec une unigi boucle de rétroaction rét.:roaction quantifiée afin -der la détection leur de sor la fo_ -[ 20 faire ?es élément ents de (y la figure 10), -ignaux des :s de ecu. s'additionnent . Quand une accélération sur les élm de détection (voir la figure 11), signaux provenant des éléments de 15 détection appariés s'annulent. Il en résulte que le signal de capteur numérique produit par le capteur numérique 120 dépend de la pression agissant sur les éléments de détection 82A et 82B, et est sensiblement indépendant de l'accélération sur le capteur numérique 120 (c'est-à-dire 20 un signal de pression compensé en accélération). La figure 13 est un diagramme d'une partie de la forme de réalisation du capteur numérique 120 de la figure 12 où les élément ..-tection piézoélectriques 86A 86D des.......ents de 82A 32B té élect. lération de la ion ur 10 -es ées pour d'une manière s LClii 'aire n et d'une re opposée à la pression , a été décrit ci- Les signaux des membran7 utilisés dans le bloc 144 pour produire un signal numérique d'accélération 15 compensée en pression ou un signal numérique de pression compensé en accélération. Pour produire le signal numérique, un signal de rétroaction quantifiée peut être appliqué sur les deux membranes. En variante, chaque membrane peut être commandée avec un signal de rétroaction 20 quantile respectif. Comme cela a été expliqué précéde=-ut, ces signaux de rétroaction quantifiée permettent une numérisation intégrée des signaux de r, en évitant ainsi une étape de conversion _que-anigue nt el pour d rechel .ndre cart-e

Claims (2)

1. REVENDICATIONS1. ci uits de ducteur nnéniques (88) qui r-ilis un ion REVENDICATIONS1. ci uits de ducteur nnéniques (88) qui r-ilis un ion quantifiée gnal r numéicr pour un capteur spectif -sseurs piézoélectriques (80) ; 10 et un circuit de combinaison configure pour combiner s signaux de capteur numériques, en produisant ainsi un signal de Sortie numérique comportant au moins un d'un signal d'accélération compensé en pression et d'un signal 15 de pression compensé en accélération.
2. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des capteurs piézoélectriques (80) comporte un élément cl-F, iétcction (82) configure pour se déformer en 20 à d, , et c produire une paire de sur-:ires ic 25 . ci 6troac une tension de rétr.a clan de capteur ru.T.érique, et rétroaction quantifiée entre l'élément de détection (82). L 4U t ion n _erer tendant du signal la tension de surfaces de 6. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce due le circuit à action directe (90) comporte un intégrateur (96) et un quantificateur (98). 7. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de rétroaction comporte un dispositif de décalage de niveau de tension. 8. Capteur selon la revendication 1, car -risé en ce que - de rérroaction _,==te u-- de circui le difi -',11e 9. Capteur selo 30si nal :.que final base 11. d'acct pressio.i et d'un 1V numériqu. de pression -c élér:'ion sur des des pl lectri a l'accéL-h. on et à la la pin otion comprenant le fait appliquer un I de rétroaction quantifiée sur au moins une des nembraue: piézoélectricuec 15 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le signal de rétroaction quantifiée est appliqué sur les deux membranes piézoélectriques. 20 13 Procédé selon les revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que différents signaux de rétroaction quantifiée nont appliqués sur les deux membranes afin de délivrer 3es signaux de capteur num ques respectifs. -,516. (120) IO d la paire :77in de pry au moins . n et on ; au moins un circuit de transducteur numérique 15 (88) utilisant un passage de rétroaction quantifiée vers la paire de capteurs piézoélectriques (120) afin d'obtenir au moins un d'un signal numérique d'accélération compensé en pression et d'un signal numérique de pression compensé en accélération. 20 17. Capteur selon la revendication 16, caractérisé en ce que le passage de rétroaction quantifiée applique une tension de: rétroaction tifiée sur chaque capteur de la paire de piézoéleotriques (120). 30 numériques ise 25 cation 17, ytion rultfiée le tT.7 18.